WO2005090081A1

WO2005090081A1 - 液滴配置装置及び液滴配置方法

Info

Publication number: WO2005090081A1
Application number: PCT/JP2005/003514
Authority: WO
Inventors: Tohru Nakagawa; Norihisa Mino
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2005-09-29
Also published as: CN1839045A; US20080158300A1; US7628464B2; JP4642756B2; CN100488777C; JPWO2005090081A1

Abstract

　インクジェットヘッド(1)と、インクジェットヘッド(1)から吐出された液滴(2)を受ける基板(13)と、インクジェットヘッド(1)のノズル孔又はその周辺から基板(13)に向けて光を照射又は反射する装置と、インクジェットヘッド(1)と基板(13)との相対的な位置を制御する位置移動装置(10)と、インクジェットヘッド(1)からの液体を吐出する制御装置(9)とを含み、インクジェットヘッド(1)から見て基板(13)の後方に、インクジェットヘッド(1)の位置を認識する受光素子(6)を配置し、基板(13)は少なくともノズル孔又はその周辺から基板(13)に向けた照射光又は反射光が受光素子(6)に入る程度の透明度があり、受光素子(6)は、ノズル孔又はその周辺から基板(13)に向けた照射光又は反射光を検知する。これにより、インクジェットヘッドと基板との距離が短くてもインクジェットヘッドと基材との相対的な位置を正確に調整する。

Description

明細書

液滴配置装置及び液滴配置方法

技術分野

[0001] 本発明は、インクジェットを用いた液体配置装置及び液体配置方法に関する。

背景技術

[0002] 近年、インクジェット式プリンタは、文字や画像の印刷機として広く利用される一方、電子デバイスやデォキシリボ核酸 (DNA)チップの作製装置としても利用されつつある。ここで、電子デバイスとは、電子の流れや蓄積を利用して、演算、情報の蓄積と伝搬、表示等を行う素子やその集合体をいう。これらの例として、電気回路、これらを構成する配線、電極、抵抗体、コンデンサ、半導体素子などがある。

[0003] 以下、インクジェット式プリンタの概要と、インクジェット式プリンタによる電子デバイス作製例について説明する。インクジェット式プリンタにおける印刷の仕組みは、平板 (以下「ノズル板」という。）上に開けられた直径数十/ z mの多数の貫通孔（以下「ノズル孔」という。）からそれぞれ数ピコリットルのインクを紙などの印字体に向けて吐出し、吐出したインクを印字体の所定の位置に配置することである。インクを記録媒体の所定の位置に配置するために、ノズル板と印字体の位置を機械的に動力してこれらの相対的な位置を制御しながらインクを吐出する。このように、ノズル板のノズル孔から液体 (液滴とも、う）を吐出して基材の所定の位置に配置する方法をインクジェット法という。また、ノズル孔力液体を吐出する機構を備えた装置をインクジェットヘッドという。インクジェットヘッドは、ノズル板、ノズル板を貫通しているノズル孔、ノズル板の液体吐出面と反対の面に接し、ノズル孔に通じている圧力室、圧力室に圧力を発生させる機構を備えている。そして、圧力室に圧力を加えることにより圧力室内に保持されている液体をノズル孔力ノズル板の外に向力つて吐出する。

[0004] 図 10は、インクジェット式プリンタの全体の概略図である。図 10のインクジェット式プリンタ 100は、圧電素子の圧電効果を利用して記録を行うインクジェットヘッド 101を備え、このインクジェットヘッドから吐出したインク滴を紙などの記録媒体 102に着弾させて記録媒体に記録を行うものである。インクジェットヘッドは、主走査方向 Xに配置したキャリッジ 104に搭載されていて、キャリッジ 104がキャリッジ軸 103に沿って往復運動するのに応じて、主走査方向 Xに往復運動する。さらに、インクジェット式プリンタは、記録媒体をインクジェットヘッド 101の幅方向（X方向）と垂直方向の副走査方向 Yに、相対的に移動させる複数個のローラ (移動手段） 105を備える。インクジヱットヘッドは、インクを吐出するノズル孔を備えたノズル板と、ノズルからインク吐出させる駆動部分、及びノズルにインクを供給する部分から構成されてヽる。

図 11A— Cは、インクジェットヘッドの構造の一例を示している。図 11Aは、ノズル孔 121とその近傍の断面図である。ノズル孔は圧力室 113に通じており、圧力室 113上部には振動板 112と圧電素子 111が形成されて!、る。圧力室 113にはインクが満たされており、インクはインク流路 115からインク供給穴 114を通って供給される。圧電素子 111に電圧を印可すると圧電素子 111と振動板 112がたわみ、圧力室 113の圧力が上がってノズル 121からインクが吐出する。インク 118がノズル孔 121から一定の方向に吐出されるように、ノズル板 116表面は撥水処理がほどこされている。圧力室 113の圧力を上げるために、インク室内に気泡を発生させる方法を用いる場合もある (バブルジェット (登録商標）法)。図 11Bは、図 11Aの I I線で切断した模式的立体透視図である。ここでは、約 2個のノズル孔近傍の構造のみを示している力実際は、これと同じ構造のものが多数一列に並んでいる。図では、左側の圧電素子 117と振動板 112がたわんでノズル孔 121からインク 118が矢印 119の方向に吐出されて!ヽる様子を示している。なお、図から分かるように、それぞれのノズル孔に対して一個の圧力室 113と圧電素子 117が割り当てられているが、インクを供給するインク流路 11 5は多数個のノズル孔に対して共通であり、インクは、流路からそれぞれの圧力室 11 3に開けられたインク供給路 114を通して供給される。図 11Cは、ノズル板上部から見た平面図である。この例では、間隔が約 340 m幅で左右一列に 40個並んだノズル孔 121が上下 2列ある。図中、それぞれのノズルを囲む線 120はノズル板の向こう側にある圧電素子の形、破線 124はインク流路の形を示している。一つのインク流路力左右に 40個並んだノズル孔へインクが供給されるので、左右 40個のノズル孔からは同一色のインクが吐出されることになる。 122は基材の送り方向、 123はノズルが 2列に配置して、る状態を示す。 [0006] インクジェット式プリンタを電子デバイス作製装置として利用した代表例を以下に示す。インクジェット法により金属コロイドをプリント基板上に描画することにより、プリント基板に導線の回路パターンを形成した例がある（下記非特許文献 1)。通常、プリント基板に導線回路パターンを形成するためには、あらかじめ基板に金属膜を形成した後フォトリソ法により導線回路パターン形成する力もしくは、レジスト膜で回路のネガノターンを基板上に形成後レジストの存在しない領域にメツキ法で導線回路パターンを形成後レジストを除去する方法が用いられて、る。インクジェット法を用いる利点は、手間の力かるフォトリソ工程を経ずに直接プリント基板に回路を形成できることである。このため、回路形成が短時間となり製造コストを大幅に下げることができる。さらに、フォトリソ法では作製する回路に対応したフォトマスク (版）が必要であるため、少量多品種の回路の生産や、様々な回路の試作を行う場合、大量のフォトマスクを作製する必要があり、時間とコストが増大する。これに対して、インクジェット法ではフォトマスクが必要でないため、少量多品種回路生産や、回路の試作に適している。

[0007] また、機能性有機分子をインクジェット法により基板に描画することにより、電界効果トランジスタ（下記非特許文献 2)、エレクト口ルミネッセンスを利用したディスプレイ（下記非特許文献 3)、マイクロレンズアレイ（下記非特許文献 4)などを形成した例がある。基板上に形成した機能性有機分子薄膜は、レジストの現像液や剥離液に曝されると基材力剥離したり電気特性が劣化したりする傾向があり、通常のフォトリソ工程でノターンを形成することが困難である。インクジェット法は、機能性有機分子の特性を劣化させることなく簡単にパターン形成できるため、有機分子を用いた電子デバイスの作製方法として有望視されてヽる。

[0008] また、近年、人の体質、病気の診断、薬の効き方などを遺伝子のレベルから調べるための手段として、 DNAチップが広く用いられている。 DNAチップとは、数千一数万種類の DNA断片や合成オリゴヌクレオチド（以下、これらを「DNAプローブ」と!、う。）をそれぞれ、数センチメートル四方のガラス基板やシリコン基板などの所定の位置に固定したものであり、たくさんの遺伝子の発現の様子を同時に測定したり特定の遺伝子が存在するかどうかを調べたりする目的に使用される。この DNAチップをインクジェット法で作製する方法が提案されている。すなわち、 DNAプローブの溶解した液体をインクジェット法で基材の所定の位置に配置することで、簡便に低コストで DNA チップを形成することが可能となる（下記特許文献 1)。

[0009] インクジェット法で電子デバイスや DNAチップを作製するためには、液滴を基板の所定の位置に正確に配置する必要がある。一般的には、インクジェットヘッドと基板との初期の位置を定めておき、あら力じめ決められた量だけヘッドと基材の相対位置をずらしながら液滴を吐出することによって、液体を基板の所定の位置に配置する。描きたい液滴のパターンが数百 m程度ならば、この方法で正確に描画できる。しかし、インクジェットヘッドと基板の初期の位置や移動量は基板の固定の仕方、温度変化による基材の熱膨張の影響を受けて mの範囲でばらつくため、上記方法で/ z m— 数十 μ mのパターンを描画することは困難である。

[0010] また、インクジェットヘッドを用いた液体吐出において、まれにではある力ノズル孔が詰まり液体が吐出しな、場合がある。再現性良く電子デバイスや DNAチップを作製するためには液滴がきちんと吐出しているかどうかを検出することも重要である。

[0011] 下記特許文献 2では、反応物質を検出部の特定の位置に固定ィ匕することのできるスポッティング装置が提案されている。この特許では、液滴を配置する基板の上方斜めに設置された視覚カメラによって、基板の位置を認識することにより、基板に正確に液体を配置する。

[0012] また、下記特許文献 3では、 DNAプローブ溶液を吐出する複数のノズルを有するインクジェットヘッドと、前記ヘッドに所定のノズル力液体を吐出する駆動信号を発生させる手段を備える DNAプローブ溶液吐出装置について提案されており、前記ノズルから吐出される溶液に向けて投光する投光手段と前記投光手段から光を受光する受光手段を有することを特徴としている。出射する光の方向は、インクジェットヘッド吐出面と平行であり、ヘッドから吐出された液体に当たって反射した光を受光することにより、溶液が正常に吐出されているかどうかを調べる。

[0013] また、下記特許文献 4では、基板上の画素にインクジェット法により液相の有機材料を吐出して有機層を形成するに際して、（a)あらかじめ基板上に画像認識パターンを形成し、 (b)前記画像認識パターンを画像認識装置によって認識することにより基板又は画素の位置情報を得、（c)前記基板又は画素の位置情報に基づいて、インクジエツトヘッド及び基板又は画素の位置合わせと、液相有機材料を吐出するタイミングを制御することからなる有機エレクト口ルミネッセンス表示装置の製造方法が提案されている。この文献では、画素認識装置は、インクジェットヘッドに対して基板の裏面側に固定して配置されており、透明又は半透明な基板を通して画像認識パターンを認識する方法が示されている。この従来例では、画像認識装置の基板に対する配置位置や画像を認識するために必要とされる照明光にっ、ては開示されて、な、。

[0014] 本発明者らのこれまでの検討結果から、数百 μ m以下の微細な液滴パターンを基板に配置するためには、吐出口と基板との間隔を lmm以下にする必要があることが分力つている。この間隔が大きいと、吐出口から出た液体が基板に付着する間に空気の対流の影響を受け飛翔の方向が変わってしまうからである。さらに、間隔が大きいと、微小な液滴が基板に付着する前に揮発してしまうこともある。

[0015] 特許文献 2で示された装置では、視覚カメラが基板斜め上方に配置されているため、吐出口と基材の間隔が lmm以下になると吐出口直下の基板の位置が見えにくくなる。特に、ノズル板上に吐出口が高い密度で配置されたインクジェットヘッドの場合、ノズル板中心付近にあるノズル孔直下の基材の位置は、ノズル板端の陰になり視覚カメラで検出することは不可能となる。

[0016] 同様に、特許文献 3で示された装置では、ヘッドに平行な光を照射する必要があるため、ヘッドと基板との間隔が短くなると光をこの間に入射することが困難となる。

[0017] 特許文献 4では、視覚カメラ力インクジェットヘッドに対して基板の裏側に配置されて、るので、インクジェットヘッドと基板の間隔が小さくなつても液滴を配置すべき基板の領域を観察することが可能である。ところで、視覚カメラでインクジェットヘッドや基板の位置を認識するためには、光源を用いて、インクジェットヘッドや基板に光を当て、これ力も反射した光を視覚カメラに入射させる必要があるが、特許文献 4では、光源の配置をどうするかについては開示がなされていない。一般的には、視覚カメラと基板との間に光源を置く方法が用いられている。しかし、この方法では、光源を配置するために基板と視覚カメラの距離を離す必要があり、認識すべき基板の領域が m程度の場合、この微小領域を視覚カメラでとらえるためには、大がかりな光学系が必要となるので、装置全体が大きなものとなってしまう。このため、視覚カメラの位置は、固定せざるを得なくなる。特許文献 3でも視覚カメラは固定されていた。基板やインクジェットヘッドのどちらか一方のみが移動する場合、基板とインクジェットヘッドの相対的な位置関係は、視覚カメラ力得た情報をもとに演算処理回路を用いて簡単に導出できる。一方、インクジェット法で電子デバイスを量産するには、液滴配置の速度を高める必要があるので、多数のノズル孔力液滴を同時に吐出しながらインクジェットヘッドと基板を同時に移動させることが必須となる。この場合、視覚カメラと基板、及び視覚カメラと多数のノズル孔の相対的な位置関係が刻一刻と変化するため、基板とインクジェットヘッドとの相対位置関係を導出するためには、演算処理回路が大がかりになる。これらの結果、特許文献 4の液滴配置装置は光学系と演算処理回路が大がかかりとなり、装置の値段も高くなるという課題があった。

特許文献 1：米国特許 5,658,802号明細書

特許文献 2：特開 2003-98172号公報

特許文献 3：特開 2002-253200号公報

特許文献 4：特開 2001-284047号公報

非特許文献 l : G.G.Rozenberg, Applied Physics Letters,81卷, 2002年 ,P5249—5251 非特許文献 2 : H.Sirringhausら， Science,2000年, 290卷 ,P2123 - 2126

非特許文献 3 : J. Bharathanら， Applied Physics Letters, vol.72, 1998年 ,P2660- 2662 非特許文献 4 : T.R.Hebnerら， Applied Physics Letters, vol.72, 1998年 ,P519- 521 発明の開示

[0018] 本発明は、インクジェットヘッドと基板との距離が短くてもインクジェットヘッドと基材との相対的な位置を正確に調整し、さらに、液滴の吐出の状態を観察できる液滴配置装置を提供する。さらに、液滴を基板に正確に配置するための方法を提供する。

[0019] 本発明の液滴配置装置は、インクジェットヘッドと、前記インクジェットヘッドから吐出された液滴を受ける基板と、前記インクジェットヘッドのノズル孔又はその周辺から前記基板に向けて光を照射又は反射する装置と、前記インクジットヘッドと前記基板との相対的な位置を制御する位置移動装置と、前記インクジェットヘッドからの液体を吐出する制御装置とを含む液滴配置装置であって、前記インクジェットヘッドから見て前記基板の後方に、前記インクジェットヘッドの位置を認識する受光素子を配置し、前記基板は少なくとも前記ノズル孔又はその周辺から前記基板に向けた照射光又は反射光が受光素子に入る程度の透明度があり、前記受光素子は、前記ノズル孔又はその周辺から前記基板に向けた照射光又は反射光を検知することを特徴とする。

[0020] 本発明の液滴配置方法は、インクジェットヘッド力液体を吐出して基板表面に前記液体を配置する方法であって、前記インクジェットヘッドの液体吐出側に受光素子を配置し、さらに、前記インクジェットヘッドと前記受光素子の間に前記基板を配置し、前記液体を吐出する前に前記受光素子によって前記インクジェットヘッドの位置を測定し、前記測定した情報に基づき前記インクジェットヘッドと前記基板との相対的な位置を定め、前記液体を前記基板に配置することを特徴とする。

図面の簡単な説明

[0021] [図 1]図 1は本発明の実施形態 1における液滴配置装置を示した模式図である。

[図 2]図 2は本発明の実施形態 1における液滴配置装置の基板と受光素子の関係を示した模式図である。

[図 3]図 3Aは本発明の実施形態 2における液滴配置装置を示した模式図、図 3Bは図 3Aのインクジェットヘッドの下面図である。

[図 4]図 4は本発明の実施形態 3における液滴配置装置を示した模式図である。

[図 5]図 5は本発明の実施形態 3における液滴配置装置を示した模式図である。

[図 6]図 6は本発明の実施形態 3におけるインクジェットヘッドを示した断面模式図である。

[図 7]図 7は本発明の実施形態 3におけるインクジェットヘッドのノズル孔カも放出された光が光センサで受光される様子を示した模式図である。

[図 8]図 8は本発明の実施例 1における液滴配置装置を示す模式図である。

[図 9]図 9は本発明の実施例 1における液滴配置装置の光反射ユニットと受光素子の詳細を示した模式図である。

[図 10]図 10は従来のインクジェットプリンタの全体を示す模式図である。

[図 11]図 11A— Cは従来力も使用されており、本発明の実施例 1でも使用するインクジェットヘッドを示した模式図であり、図 11Aはノズル孔付近のインクジェットヘッドの断面模式図、図 11Aの I I線で切断した模式的立体透視図、図 11Cはノズル板側から見たインクジェットヘッドの模式図である。

発明を実施するための最良の形態

[0022] 本発明の液滴配置装置は、インクジェットヘッドから見て前記基板の後方に存在し、前記インクジェットヘッドの位置を認識する受光素子を含む。また、前記基板は少なくとも前記インクジェットヘッドのノズル孔又はその周辺から前記基板に向けた照射光又は反射光が受光素子に入る程度の透明度を有する。透明度は高いほど好ましい力半透明であっても差し支えない。前記ノズル孔又はその周辺力前記基板に向けた照射光又は反射光を受光素子が検知できる程度の透明性があればよ!、。基板としては、ガラス基板、又はポリエステルフィルム基板、ポリイミドフィルム基板、アタリル榭脂基板、ポリオレフイン基板等の透明榭脂を使用するのが好まし、。

[0023] 基板は別に設けた固定台に固定してもよい。前記固定台が移動する場合、前記受光素子も前記固定台と一体となって移動することが好ましい。

[0024] また、この液滴配置装置においては、前記固定台と前記受光素子の間に光に対して半透明な反射板が設けられ、前記固定台に固定された基板の面に平行な光が前記反射板に入射するように光源が配置され、前記反射板の配置が、前記入射光の一部を前記インクジェットヘッドの方向に反射し、かつ、前記インクジェットヘッド力放射される光の一部を前記受光素子側に透過するように調整されていることが好ましい

[0025] また、本発明の液滴配置装置にぉ、ては、前記インクジェットヘッド力液体を吐出するノズル孔、前記液体をノズルから吐出するために圧力を発生させる圧力室、前記圧力室に前記液体を供給する流路、前記液体を貯蔵する容器、前記容器から前記流路まで前記液体を輸送するための管から構成され、前記インクジェットヘッドにおいて前記液体が接触する表面が光を反射する材料から構成されており、かつ、前記容器内に光源を入射する仕組みが備わってヽることが好まヽ。

[0026] また本発明の基板に液滴を配置する方法は、インクジェットヘッドから液体を吐出して基板表面に前記液体を配置する方法であって、前記インクジェットヘッドの液体吐出側に受光素子を配置し、さらに、前記インクジェットヘッドと前記受光素子の間に前記基板を配置し、前記液体を吐出する前に前記受光素子によって前記インクジェットヘッドの位置を測定し、前記測定した情報に基づき前記インクジェットヘッドと前記基板との相対的な位置を定め、前記液体を前記基板に配置する。

[0027] 本発明の液滴移動装置を用いれば、電子デバイスや高密度の DNAチップを正確に作製することができる。さらに、光学系やインクジェットヘッドと基板の相対的な位置導出するための演算回路が簡単ですむので、装置の小型化や低価格ィ匕が可能となる。

[0028] (実施形態 1)

図 1は、本発明の液体配置装置の一例を示した模式図である。インクジェットヘッド 1力も液滴 2が基板 13に向力つて矢印 3のように吐出され、固定基板 13の所定の位置に液滴 2が配置される。インクジェットヘッド 1はキャリッジ 4に固定され、キャリッジ 4 はキャリッジ軸 5に沿って X軸方向に移動する。吐出制御回路 9は、インクジェットへッド 1から液滴 2を吐出するタイミング、液滴 2の大きさ、初速度、 1秒当たり吐出する液滴 2の数を制御する。基板 13は受光素子 6の真上に配置されており、基板 13と受光素子 6は、キャリッジ軸 8に沿って動く移動ステージ 7によって Y軸方向に一体となって移動する。基板 13は、光透過性を持つ材料が望ましい。キャリッジ軸 8と移動ステージ 7はそれぞれ、位置制御回路 10によって制御されながら動く。受光素子 6に入射する光の強度と入射位置の情報は、受光素子信号処理回路 11により入る。

[0029] 後に説明する図 2のように、液滴を吐出するノズル孔やその周辺力放射した光が受光素子に入射する機構があるので、図 1に示すインクジェットヘッド 1と受光素子 6 との位置関係、及び、この光を利用して基板 13と受光素子 6との位置関係が分かる。さらにこれらの二つの情報から、インクジェットヘッドと基板との位置関係が分かる。本実施例では、ノズル孔やその周辺力光が受光素子に向けて放射する機構が備わつているので、受光素子 6と基板 13との間に光源を入れるための大きな隙間をもうける必要が無ぐ基板 13と受光素子 6の間隔を小さくでき、大がかりな光学系が不要となる。このため、基板 13と受光素子 6を一体ィ匕して動かすことが可能となる。この結果、インクジェットヘッド 1と基板 13が同時に移動しても、これら両者の相対位置関係は簡単な演算回路を利用して導出することが可能となる。 [0030] 位置制御回路 10、受光素子信号処理回路 11、及び吐出制御回路 9は、コンビュータ 12が統括制御する。この結果、受光素子 6でインクジェットヘッド 1と基板 13との位置関係を調べ、この情報をもとにしてインクジェットヘッド 1と基板 13を移動させて所定の位置に配置し、液滴 2を吐出することによって基板 13の所定の位置に液滴 2 を正確に配置することができる。また、受光素子 6により、ノズル孔から吐出される液滴 2を観察できるので、液滴 2の吐出状態を調べることが可能となる。

[0031] 本発明でいう、受光素子 6とは、光を感受する光センサが二次元平面内に配列されたものをいい、それぞれのセンサに入射する光の強度を測定する。代表的なものとして、荷電結合素子 (CCD)型撮像素子や金属酸化物半導体 (MOS)型撮像素子がある。

[0032] 図 2は、図 1の液滴配置装置の基板 13と受光素子 6の部分のみを詳しく説明した模式図である。各光センサ 16が光センサ支持部 17に保持され格子状に平面内に配列している。各光センサ 16に光が入射すると、光センサ 16内で光エネルギーは電子のエネルギーに変換されて電流が発生する。各素子に発生する電流は受光素子信号処理回路 18に入って増幅、演算処理される。受光素子信号処理回路 18は、光を感受した光センサ 16の位置とその強度の情報を電気信号として外部出力にする。この出力された電気信号をコンピュータ 19で演算処理することで、光センサ 16 (受光素子）に入射した光の情報を得ることができる。光センサ 16の上部に対物レンズ 20を配置し、両者の距離を調整し、光センサ 16上部のインクジェットヘッドの像のピントを光センサ上に合わせば、インクジェットヘッドとそれぞれの光センサ 16の位置関係を導出することができる。あら力じめ、基板 14と光センサ 16 (受光素子）の位置を決めておき、インクジェットヘッドのノズル孔と光センサ 16 (受光素子）との位置関係も決めておけば、ノズル孔と基板との位置関係も分力ゝるので、液滴を吐出すべき基板の位置が分かる。 15は受光素子全体を示す。

[0033] 基板と受光素子の位置をあら力じめ厳密に決めておかなくても、以下の方法を用いれば、インクジェットヘッドと基板との位置関係を調べることも可能である。すなわち、インクジェットヘッドのノズル孔像のピントを光センサの上に合わせてノズル孔と撮像素子との位置関係を導出した後、同様に、基板の像のピントを撮像素子に合わせて基板と撮像素子の位置関係を導出する。これらの二つの情報から、ノズル孔と基板との位置関係を導出できる。

[0034] (実施形態 2)

実施形態 2は、インクジェットヘッドのノズル孔又はノズル周辺から光を放射する一つの方法を示したものである。すなわち、実施形態 1において、前記固定台と前記受光素子の間に光に対して半透明な反射板力 Sもうけられ、前記固定台に固定された基板の面に平行な光が前記反射板に入射するように光源が配置され、前記反射板の配置が、前記入射光の一部を前記インクジェットヘッドの方向に反射し、かつ、前記インクジェットヘッドから放射される光の一部を前記受光素子側に透過するように調整されている。

[0035] 図 3Aは、本実施形態の一例を示した模式図である。透明な基板 23の真下に、内部に反射板 28を有する光学ユニット 27を設置している。反射板 28は光に対して半透明で、基板 23面と平行に入った入射光 24は反射板 28により反射してインクジエツトヘッド 21に向力反射光 25となる。この反射光 25がノズル板 33や基板 23で反射して反射光 26となり反射板 28を通過し、対物レンズ 30を通って光センサ 31でノズル板 33や基板 23の像を形成する。 32は光センサ支持部、 29は受光素子全体を示す。

[0036] 図 3Bは、図 3Aのインクジェットヘッド 21の下面図で、ノズル孔 22を複数有するノズノレ板 33を示している。

[0037] (実施形態 3)

実施形態 3は、ノズル孔ゃこの周辺力受光素子に向けて光を放射する別の方法を示す。すなわち、実施形態 3は、ノズル孔カゝら基板に向かって光を放射する機構を備えたインクジェットヘッドを提供する。このインクジェットヘッドは、液体を吐出するノズル孔、前記液体をノズル力吐出するために圧力を発生させる圧力室、前記圧力室に前記液体を供給する流路、前記液体を貯蔵する容器、前記容器から前記流路まで前記液体を輸送するための管力も構成され、前記インクジェットヘッドにぉ、て前記液体が接触する表面が光を反射する材料から構成されており、かつ、前記容器内に光源を入射する仕組みが備わって、る。

[0038] 図 4は、本実施形態で示したインクジェットヘッドを用いた液滴配置装置の一例の模式図である。インクジェットヘッド 34のノズル孔から光 35が透明な基板 36に向けて照射されている。照射された光 35は対物レンズ 38を通って光センサ 39に入るので、ノズル孔と受光素子との位置関係を導出することができる。また、この光を基板 36に当てれば、基板 36の位置情報も光センサ (受光素子） 39によって導出することが可能となる。 40は光センサ支持部、 37は受光素子全体を示す。

[0039] 図 5は、インクジェットヘッド 41のノズルから光 42を放出してインクジェットヘッド 41と基板 43との位置を検出する別の例である。基本的に図 4と同じであるが、本例では対物レンズが無いことが特徴である。光センサ 45とインクジェットヘッド 41の距離を近づけることで、対物レンズ無しでもノズル孔の位置を検出することが可能となる。 46は光センサ支持部、 44は受光素子全体を示す。

[0040] 図 6は、本実施形態で用いるインクジヱットヘッド 51の構造を具体的に示した模式図である。ノズル板 54に開けられたノズル孔 55の内壁、圧力室 56の内壁、インク流路 57の内壁、チューブ 59の内壁、及び、液体貯蔵容器 61の内壁が光を反射する材料でできている。各内壁をこのような材料にするためには、各内壁に光の反射率の高い金属を蒸着するかメツキすればよい。用いる金属は、アルミニウム、白金、金等がある。液体貯蔵容器 61内に光源 62を設置して光を放射すると、光源から出た光線 60 は、チューブ 59の内壁、インク流路 57の内壁、圧力室 56の内壁、ノズル孔 55の内壁で反射し、最終的にはノズル孔 55から外に向力つて放出され放出光 63となる。光源 62は必ずしも液体貯蔵容器 61内に設置する必要はなぐ例えば、容器内の外に置き、光ファイバ一を通して容器内に光を導入しても良い。 52は圧電素子、 53は振動板、 58はインク供給口である。

[0041] 図 7は、ノズル孔 64カゝら放射される光束の形を模式的に示した図である。ノズル板 6 3を貫くノズル孔 64の形状がノズル孔 64の中心を通る中心軸に対して対称である時、ノズル孔 64から放射される光束 65は、ノズル孔 64の中心軸に対して対称となる。従って、この光束 65が光センサ 67の集合体面に投影されると、円形のスポット 66となる。この円形スポット 66の中心点の真上力ズル孔 64中心部と一致するので、ノズル孔 64の中心位置を検出することが可能となる。

[0042] 以下に本発明の具体的な実施例を説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

[0043] (実施例 1)

液滴配置装置を用いて大きさが縦： 10mm、横： 10mm、厚み： 0. 2mmのガラス基板上に、 100 m間隔で直径 50 mの円内領域に液体を配置した。以下に詳細を示す。

(1)基板の作製方法

大きさが縦： 10mm、横： 10mm、厚み： 0. 2mmの板の石英ガラス基板を中性洗剤で超音波洗浄した後純水で流水洗浄した。このガラス基板に窒素ガスを吹きかけて乾燥した後、 110°Cのオゾン雰囲気で紫外線を照射してガラス基板表面に残存する有機物を除去した。その後、通常のフォトリソグラフィ一法を用いて、ガラス基板の四隅にクロムの位置合わせマーク（ァライメントマーク）を形成した。ァライメントマークは、縦： 100 m、横： 10 mの長方形が二つ直角に交差する十字の形のものを形成した。次に、このガラス基板上にポジ型レジスト膜のパターンを形成した。このパターンは、直径 50 mの円形のレジスト膜が 100 間隔で格子状に並んだものである。ガラス基板上の四隅に形成してお!ヽたァライメントマークと円との位置関係はあらかじめ定めておいた値にした。すなわち四隅のァライメントマークの位置が分かれば、一義的に所定の円の位置が分力るようにした。

[0044] 次に乾燥窒素ガスで満たされたグローブボックス内で、へキサデカフルォロェチルトリクロロシラン (CF (CF ) C H SiCl (以下「FACS」という。；)）を lvol%溶解させた n

3 2 7 2 4 3

キサデカンとクロ口ホルムの混合溶液 (体積比で 8:2)にガラス基板を 1時間浸漬した。その後、このガラス基板をトルエンで洗浄した。この結果、レジストの無い領域に FACSが吸着した。

[0045] 次に、処理したガラス基板をグローブボックス力も取り出し、アセトンに浸漬してガラス基板上のレジスト膜を除去した。アセトン浸漬ではガラス基板上に吸着した FACS は除去されないので、レジストを除去した領域のみが親水性となった。この結果、親水性の領域である直径 50 μ mの円が 100 μ m間隔で配置され、この親水性領域以外が撥水性である、親水 Z撥水性のパターンが形成できた。なお、撥水性領域と親水性領域の純水に対する静的接触角はそれぞれ、 5度と 130度であった。 (2)光センサ

光センサとして、松下電器産業社製の電荷結合素子 (CCD)を用いた。仕様は以下の通りである。

'センサの数： 3万個

'一個の光センサとその周辺部の占める大きさは縦： 60 m、横： 60 m

•センサ全体の占める大きさは縦： i_5mm、横： 15mm

(3)インクジェットヘッド

図 11A— Bで示した一般的なインクジェットヘッドを用いた。振動板は厚み 3 μ mの銅、圧電素子は厚み 3 mのチタン酸ジルコン酸鉛 (PZT)とした。 PZTは真空スパッタリング法で形成し、膜の垂直方向に (001)配向している。ノズル板は、撥水処理が施されている。ノズル孔の直径は 20 mとし、放電力卩ェに法により形成している。また、図 11Cで示すように、同一色のインクを吐出するノズル数は 40個であり、これが左右に 340 μ mの間隔で並んでいる。そして、 40個のノズルの列は上下に 170 μ mの間隔で 5列に配置されている。ノズル孔の数は合計で 200個ある。本実施例では、一個のノズル孔のみを用いて液体の吐出を行った。液体の吐出は、圧電素子間に ΙΟΚΗζの周波数、振幅 20Vの電圧を印加して行った。液適量は 20ピコリットルとした（半径約 16.8 m)。インクジェットヘッドには、インクの代わりに所定の液体を入れた。

(4)液滴配置装置

図 8は本実施例の液滴配置装置の概念図であり、光反射ユニット 73と光源 83が付けカロえられている以外は図 1に示した液滴配置装置と同じである。移動ステージ 75 上に受光素子 74、光反射ユニット 73、ガラス基板 72を順に設置してあり、移動ステージ 75はキャリッジ軸 76に沿って Y軸方向に移動する。インクジェットヘッド 71は、キャリッジ 77と一緒にキャリッジ軸 78上を X軸方向に移動する。インクジェットヘッド 71 のノズル板とガラス基板 72の距離は 0. 3mmに設定した。また、光源 83からガラス基板 72の面内に平行な入射光 84が光反射ユニット 73に導入されている。本実施例では光源にハロゲンランプを用いた。 79は受光素子信号処理回路、 80は位置制御回路、 81は吐出制御回路、 82はコンピュータである。

図 9は、受光素子と光反射ユニットの構造を詳しく説明した模式図である。光反射ュニット 91は、光を反射する反射板 92が設置されている。この反射板 92は光に対して半透明で、ガラス基板の面に平行な入射光 93の一部を反射して反射光 94となり、一部の光はそのまま透過する。反射光 94は上部に設置されたガラス基板（図示省略）を通ってインクジェットヘッド（図示省略)のノズル板（図示省略）に到達し、反射光となって再び反射板に戻る。この光の一部は受光素子 97に入射する。受光素子 97は、光センサ 96の集合体である CCDとその上部に設けられた対物レンズ 95から構成される。対物レンズ 95と CCDとの距離は電磁モータによって制御する。

(5)ガラス基板に配置する液体

末端がフロオレセンイソチオシァネート (fluorescein isothiocyanate (FITC) )で蛍光標識された 10塩基カゝらなる一本鎖オリゴヌクレオチド (和光純薬製)を 20wt%になるように純水に溶解した。これを、インクジェットヘッドのインク室に挿入した。

(6)ガラス基板への液体の配置方法

図 8を用いて、液体の配置の方法を示す。光源 83から光反射ユニット 73に入射光 84を入射した後、ガラス基板 72表面上のァライメントマークの像のピントが CCD素子 74上になるように対物レンズ（図 9の 95)と CCDとの距離を調整した。この結果、ァラィメントマークと CCD素子の位置関係が導出できた。同様に、ノズル板上の液体を吐出するノズル孔の像のピントが CCD素子上に合うように対物レンズを移動し、ノズル孔と CCD素子との位置関係を導出した。これらの測定によって、ガラス基板 72上のそれぞれの親水領域とノズル孔の位置関係を導出することができた。次に、液体を吐出するノズル孔が液体を配置したヽガラス基板 72上の親水性領域の真上になるようにインクジェットヘッド 71とガラス基板 72の位置を移動した。次に、制御回路 81によつてインクジェットヘッド 71から液滴を吐出した。同様に、インクジェットヘッド 71を移動して、次の親水性領域に液体を配置した。これらを繰り返し、ガラス基板 72上の親水性領域全てに液体を配置した。

インクジェットヘッド 71から液滴が基板に配置される様子は、受光素子、受光素子信号処理回路 79、コンピュータ 82を用いて、その場で観察することができた。すなわち、ノズル孔の像にピントを合わることで、ノズル孔力液体が吐出される様子が観察できた。この結果、ノズル孔からの液体の吐出、不吐出がその場で観察できることが分かった。

(7)配置した液体の評価方法と結果

ガラス基板上に配置したオリゴヌクレオチドは蛍光物質で標識されてヽるので、蛍光顕微鏡で蛍光を観察することで配置された液滴の形を評価できる。波長 400nmのレーザ光をガラス基板に照射し、 520nmの蛍光を観察した。

[0048] この結果、直径 50 μ mの円内領域から蛍光が発しており、この領域が 100 μ m間隔で配置されてヽることが確認できた。

[0049] (実施例 2)

実施例 1と同様に液滴を配置した。但し、インクジヱットヘッドは以下のようにした。

( 1 )インクジエツトヘッド

実施形態 3の図 6で示した構造のインクジェットヘッドを用いた。光源としてはハロゲンランプを用いた。また、ヘッドの内壁はアルミニウムを真空蒸着したものを用いた。

(2)ガラス基板への液体の配置方法

対物レンズと撮像素子間隔を調整して、光を放射してヽるノズル孔のピントを CCD 素子面に合わせ、ノズル孔と撮像素子との位置関係を導出した。次に、ノズル孔から放射される光が基板上のァライメントマークに当たるように、インクジェットヘッド、基板、撮像素子を移動させた。なお、基板と撮像素子は一体となって移動させた。次に、基板のァライメントマークの像のピントを CCD素子似合わせて、ァライメントマークと撮像素子との位置関係を導出した。これらの二つの位置関係の情報をもとに、ノズル孔と基板との位置関係を導出した。その後、この情報をもとにして、基板上の親水性領域に液滴を配置した。

(3)配置した液体の評価方法と結果

実施例と同様の方法でガラス基板に配置した液滴を評価した。この結果、実施例 1 と同様、直径 50 mの円内領域力蛍光が発しており、この領域が 100 m間隔で配置されて!ヽることが確認できた。

[0050] (実施例 3)

実施例 2と同様に液滴をガラス基板上に配置した。ただし、撮像素子から対物レンズを取り去った。そして、 CCD素子をガラス基板に接触させた。 [0051] 実施例 2と同様に、ノズル孔と基板との相対位置を導出し、所定の箇所に液滴を配置した。この結果、実施例 2と同様、液滴は正確に所定の位置に配置されていることが確認できた。

[0052] (産業上の利用可能性）

本発明は微小な液滴を精度良く基板に配置できるため、微小な液滴パターンを精度良く基板に形成できることができる。吐出する液滴を、 DNAプローブ、タンパク質、半導体材料、レンズ材料、金属材料にすることで、 DNAチップ、バイオチップ、薄膜トランジスタ等の半導体素子、レンズ、配線を形成できる。従って、本発明により、 DNA チップ、バイオチップ及び電子素子等を実現することができる。

[0053] なお、本発明の実施例ではインクジェットヘッドの圧力発生機構として圧電素子を用いたがこれに限る必要はなぐ熱作用により瞬間的に気泡を発生させる方法 (パブルジェット (登録商標）法)を用いても良!、。

[0054] さらに、本発明の実施例では、ノズル孔一個のみ力液滴を吐出した力多数のノズル孔から同時に液滴を吐出してもよ!/ヽ。

Claims

請求の範囲

[1] インクジェットヘッドと、前記インクジェットヘッドから吐出された液滴を受ける基板と

、前記インクジェットヘッドのノズル孔又はその周辺力前記基板に向けて光を照射又は反射する装置と、前記インクジェットヘッドと前記基板との相対的な位置を制御する位置移動装置と、前記インクジェットヘッドからの液体を吐出する制御装置とを含む液滴配置装置であって、

前記インクジェットヘッドから見て前記基板の後方に、前記インクジェットヘッドの位置を認識する受光素子を配置し、

前記基板は少なくとも前記ノズル孔又はその周辺力前記基板に向けた照射光又は反射光が受光素子に入る程度の透明度があり、

前記受光素子は、前記ノズル孔又はその周辺から前記基板に向けた照射光又は反射光を検知することを特徴とする液滴配置装置。

[2] 前記基板の移動に応じて、前記受光素子も前記基板と一体となって移動する手段をさらに含む請求項 1に記載の液滴配置装置。

[3] 前記基板と前記受光素子の間に光に対して半透明な反射板を置き、

前記基板の面に平行な光を前記反射板に入射させる光源を設置し、

前記入射光の一部を前記インクジェットヘッドの方向に反射し、前記インクジェットヘッドから反射される光の一部を前記受光素子側に透過するように前記反射板を調整して配置する請求項 1に記載の液滴配置装置。

[4] 前記インクジェットヘッドは、液体を吐出するノズル孔内から前記基板に向けて光を照射する手段を備えた請求項 1に記載の液滴配置装置。

[5] 前記ノズル孔内から前記基板に向けて光を照射する手段は、

前記ノズル孔と、前記液体をノズルから吐出するために圧力を発生させる圧力室と、前記圧力室に前記液体を供給する流路と、前記液体を貯蔵する容器と、前記容器から前記流路まで前記液体を輸送するための管を含み、

前記液体が接触する表面は光を反射する材料から構成されており、かつ、前記容器内に光源を入射して前記ノズル孔まで導く請求項 4に記載の液滴配置装置。

[6] 前記基板は、ガラス又は榭脂である請求項 1に記載の液滴配置装置。

[7] 前記インクジェットヘッドは、圧電素子を使用した振動により液体を吐出するヘッド、又は熱作用による気泡発生により液体を吐出するヘッドである請求項 1に記載の液滴配置装置。

[8] インクジェットヘッドから液体を吐出して基板表面に前記液体を配置する方法であつて、

前記インクジェットヘッドの液体吐出側に受光素子を配置し、さらに、前記インクジェットヘッドと前記受光素子の間に前記基板を配置し、前記液体を吐出する前に前記受光素子によって前記インクジェットヘッドの位置を測定し、前記測定した情報に基づき前記インクジェットヘッドと前記基板との相対的な位置を定め、前記液体を前記基板に配置することを特徴とする液滴配置方法。

[9] 前記基板の移動に応じて、前記受光素子も前記基板と一体となって移動する手段をさらに含む請求項 8に記載の液滴配置方法。

[10] 前記基板と前記受光素子の間に光に対して半透明な反射板を置き、

前記入射光の一部を前記インクジェットヘッドの方向に反射し、前記インクジェットヘッドから反射される光の一部を前記受光素子側に透過するように前記反射板を調整して配置する請求項 8に記載の液滴配置方法。

[11] 前記インクジェットヘッドは、液体を吐出するノズル孔内から前記基板に向けて光を照射する手段を備えた請求項 8に記載の液滴配置方法。

[12] 前記ノズル孔内から前記基板に向けて光を照射する手段は、

前記液体が接触する表面は光を反射する材料から構成されており、かつ、前記容器内に光源を入射して前記ノズル孔まで導く請求項 11に記載の液滴配置方法。

[13] 前記基板は、ガラス又は榭脂である請求項 8に記載の液滴配置方法。

[14] 前記インクジェットヘッドは、圧電素子を使用した振動により液体を吐出するヘッド、又は熱作用による気泡発生により液体を吐出するヘッドである請求項 8に記載の液滴配置方法。